汽車橋箱類零件具有精度高、加工工序多、形狀復(fù)雜、重量重的特點，為提高其加工精度及生產(chǎn)效率，各重型汽車生產(chǎn)廠家紛紛采用數(shù)控加工中心來加工此類零部件。而在使用數(shù)控加工中心加工工件時，要求工件在工作臺上具有非常高的定位精度，且需要保證每次上料的一致性。

　　由於人工上料此類的工件具有勞動強度高、上料精度不好控制等缺點，現(xiàn)在正逐步被工業(yè)機器人或?qū)�機進行上下料所取代。

　　工業(yè)機器人具有重復(fù)定位精度高，可靠性高，生產(chǎn)柔性化，自動化程度高等突出的優(yōu)勢：與人工相比，能夠大幅度提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量；與專機相比，具有可實現(xiàn)生產(chǎn)的柔性化，投資規(guī)模小等特點。

　　機器人智能化自動搬運系統(tǒng)作為減速器殼體加工的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，雖然已經(jīng)在國內(nèi)重型汽車廠內(nèi)取得成功的應(yīng)用，但依然尚未普及。在國家經(jīng)濟建設(shè)飛速發(fā)展的進程中，重型載重汽車的生產(chǎn)能力及生產(chǎn)力水平亟待有一個質(zhì)的飛躍，而工業(yè)機器人即是提升生產(chǎn)力水平的強力推進器。

機器人自動柔性搬運系統(tǒng)布局
　　圖1所示為機器人自動柔性搬運系統(tǒng)的現(xiàn)場布局。該系統(tǒng)包括1臺FANUC R-2000iB/165F機器人，1個機器人手爪，1個長11m的行走軸，2臺上下料滑臺，F(xiàn)ANUC iR Vision 2DV視覺系統(tǒng)，F(xiàn)ANUC iR Vision 3DL視覺系統(tǒng)，5臺抽檢滑臺，電氣控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用1臺機器人完成服務(wù)5臺機床進行上下料的作業(yè)。
　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 機器人自動柔性搬運系統(tǒng)的現(xiàn)場布局

　　在此系統(tǒng)中，1臺FANUC R-2000iB/165F機器人被安裝於行走軸上，能夠?qū)崿F(xiàn)整個系統(tǒng)的上下料動作。基於機器人專用手爪單元開發(fā)的手爪，非常適用於工件一致性較差的使用情況，并有較高的定位精度和抓持穩(wěn)定性。

　　在長度為11m的行走軸導(dǎo)軌上安裝一臺工業(yè)機器人，最大運動速度為1.5米/秒，使用FANUC伺服電機驅(qū)動，具有重復(fù)定位精度高、響應(yīng)速度快、運行平穩(wěn)、可靠等特點。此外，還專門設(shè)計了防塵罩，保護導(dǎo)軌、直線軸承以及齒條等運動部件，有效提高了可靠性和使用壽命。在實際應(yīng)用中，導(dǎo)軌安裝於兩條生產(chǎn)線機床的中心線上，所安裝的工業(yè)機器人運動范圍完全覆蓋5臺機床以及上下料滑臺區(qū)域。從而實現(xiàn)了1臺機器人服務(wù)5臺機床進行上下料作業(yè)。

　　2臺上下料滑臺，每個上面有4個托盤，每個托盤分別可以存放一個工件。以實現(xiàn)待加工工件的上料，以及加工完成工件的下料。在該系統(tǒng)中，由於使用了視覺技術(shù)，因此上下料滑臺無需工件的定位裝置。

　　FANUC iR Vision 2DV視覺系統(tǒng)由一個安裝於手爪上的2D攝像頭完成視覺數(shù)據(jù)采集。該視覺系統(tǒng)作為待加工工件準確抓取的定位方式，省去通常為滿足機器人的準確抓取而必須采用的機械預(yù)定位夾具，具有很高的柔性，使得在加工中心上可以非常容易地實現(xiàn)多產(chǎn)品混合生產(chǎn)。

　　而FANUC iR Vision 3DL視覺系統(tǒng)由一個安裝於地面上的3D Laser Sensor完成視覺數(shù)據(jù)采集。該視覺系統(tǒng)解決了定位面有偏差的工件上料位置變化問題。由於待加工工件為毛坯件，機器人抓取工件後，上料的定位孔位置會發(fā)生變化，甚至工件上料時的平面度也有變化。該技術(shù)可以自動補償位置變化，實現(xiàn)高精度上料。

　　5臺抽檢滑臺分別針對一臺機床，以實現(xiàn)隨時對該機床加工工件質(zhì)量的檢測。

　　電氣控制系統(tǒng)運用人機界面對整個機器人自動柔性搬運系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行監(jiān)控。采用三菱Q系列PLC控制器，并使用工業(yè)現(xiàn)場總線實現(xiàn)系統(tǒng)中實時和非實時數(shù)據(jù)的傳輸，具有高度可靠性和可維護性。安全設(shè)備采用門開關(guān)作為機器人工作區(qū)域的安全防護，完全做到人機隔離，確保系統(tǒng)在自動運行中的人員安全。

　　該套設(shè)備的應(yīng)用極大地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性，節(jié)省了大批人工，提高了企業(yè)的自動化水平，減少了企業(yè)的勞動力成本支出，提高了產(chǎn)品的巿場競爭力。系統(tǒng)流程如圖2所示。
　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 機器人自動柔性搬運系統(tǒng)流程圖

　　2D視覺技術(shù)：無夾具定位工件的自動柔性搬運

　　機器人對無定位工件的自動柔性搬運系統(tǒng)的工作原理，就是利用高清晰攝像頭（vision系統(tǒng)）實現(xiàn)對無定位工件的準確位置判斷，在機器人收到信號後，機器人裝上為工件定制的專用手爪可靠的抓取工件，在與機床進行通訊得到上料請求後，最終完成機床的上下料。在各種機械加工行業(yè)中該系統(tǒng)應(yīng)用廣泛。

　　使用機器人對無夾具定位工件的自動柔性搬運系統(tǒng)可以使生產(chǎn)流水線更加簡單易於維護，并大幅度降低工人的勞動強度，效率和柔性又比較高。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安全文明，并且無污染，能在各種機械加工場合進行應(yīng)用，滿足了高效率、低能耗的生產(chǎn)要求。

　　FANUC iR Vision 2DV視覺系統(tǒng)主要是通過視覺系統(tǒng)軟件設(shè)置，建立視覺畫面上的點位與機器人位置相對應(yīng)關(guān)系。對工件進行視覺成像，與已標定的工件進行比較，得出偏差值，即機器人抓放位置的補償值，實現(xiàn)機器人自動抓放。該技術(shù)實現(xiàn)了機器人在無夾具定位工件情況下的自動柔性搬運。

　　在該上下料系統(tǒng)中，待加工工件形狀復(fù)雜，用夾具進行定位非常復(fù)雜，也不利於以後同類新產(chǎn)品的擴展。應(yīng)用FANUC iR Vision 2DV視覺系統(tǒng)後，待加工工件只需放置於上下料滑臺無定位裝置的托盤上，實際情況為待加工工件可以在托盤上移動正負2厘米以及旋轉(zhuǎn)正負30度。這樣大大減少了在上下料滑臺上的設(shè)計工作，保證了系統(tǒng)的擴展功能。

　　FANUC iR Vision 2DV視覺系統(tǒng)的原理是，選一個待加工工件作為初始工件，通過2DV視覺軟件對該工件在攝像頭中的畫面點位與機器人示教點位的關(guān)系進行標定，同時完成初始工件的特征標定。示教完成的抓取程序為初始工件初始位置的抓取位置，此時工件抓取偏差值為零。當(dāng)工件平移或者旋轉(zhuǎn)後，位置與初始工件的位置發(fā)生變化。通過2DV軟件，機器人能夠計算出位置變化量Ｘ、Ｙ、Ｒ。機器人把該偏差值存入位置寄存器[PR]中。此時機器人可以通過把偏差值[PR]補償?shù)匠跏甲ト∥恢脕韺崿F(xiàn)工件的抓取。2DV視覺系統(tǒng)操作流程如圖3。
　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3 2DV視覺系統(tǒng)操作流程

　　在該上下料的應(yīng)用中只有一種工件，當(dāng)有多種工件時，2DV視覺系統(tǒng)可以根據(jù)不同的工件進行多次特征標定，實現(xiàn)多種工件之間的切換調(diào)用。大大提高了系統(tǒng)的可擴展性，柔性度高。

　　3D視覺定位技術(shù)助力機器人準確上料

　　3D視覺定位技術(shù)應(yīng)用於機器人上料至機床。攝像頭安裝固定在3DL視覺支架上。

　　該技術(shù)解決了定位面有偏差的工件上料位置變化問題。由於工件為毛坯件，機器人抓取工件後，上料的定位孔位置會發(fā)生變化，甚至工件上料時的平面度也有變化。對於此，在沒有3DL視覺系統(tǒng)的情況下，機器人是無法實現(xiàn)對工件的準確上料。

　　其原理是：選一個毛坯件作為初始工件，通過3DL視覺軟件對該工件在攝像頭中的畫面點位與機器人示教點位的關(guān)系進行標定，同時完成初始工件的特征標定。示教完成的上料程序為初始工件初始位置的上料位置，此時工件上料偏差值為零。當(dāng)抓取其它毛坯件後，定位孔位置以及工件的平面度發(fā)生變化。通過3DL軟件，機器人能夠計算出位置變化量Ｘ、Ｙ、Z、W、P、Ｒ。機器人把該偏差值存入位置寄存器[PR]中。此時機器人可以通過把偏差值[PR]補償?shù)匠跏忌狭衔恢脕韺崿F(xiàn)工件的上料。

　　2DV是通過攝像頭計算平面變化量，3DL是通過攝像頭和激光綜合計算空間變化量。實際上3DL是2DV與激光技術(shù)的綜合應(yīng)用，該技術(shù)大大增加了系統(tǒng)設(shè)計的可行性，尤其是在遇到定位面有偏差的工件設(shè)計時。

　　軟浮動功能：補償機器人手爪在抓取工件時產(chǎn)生的位置偏差
　　軟浮動功能（Soft Float）應(yīng)用於工件抓取和機器人機床上、下料步驟。

　　該項目中，機器人手爪抓取處於待加工工件位置在毛坯面，各個毛坯件抓取位置與定位孔位置都有差異。毛坯面與定位孔位置的變化會引起一系列的問題，這包括：工件在托盤內(nèi)，機器人抓取後，由於毛坯面帶來的偏差就會導(dǎo)致工件在手爪抓取時產(chǎn)生移動，偏差大的時候會與托盤之間產(chǎn)生摩擦；機器人從機床下料時，由於毛坯面帶來的偏差，導(dǎo)致手抓不能完全貼合毛坯面，即使強硬貼合上，在工件脫離定位銷時會有嚴重的摩擦，導(dǎo)致碰撞報警。

　　雖然有2DV視覺補償，但是毛坯面不能作為特征量，導(dǎo)致在機器人手爪抓取工件的位置在不停的變化，機器人無法補償此偏差。

　　當(dāng)開啟軟浮動功能後，機器人可以受外力改變姿態(tài)，改變大小可以通過參數(shù)設(shè)置。手爪在抓取毛坯件時可以根據(jù)毛坯面改變姿態(tài)，達到完全貼合，避免碰撞和摩擦。

　　在該項目中，工件定位孔與機床定位銷（錐形）之間的配合精度達到0.01毫米。機器人本身的重復(fù)精度是大於0.01毫米的，導(dǎo)致工件上料位置偏差。此時，通過應(yīng)用軟浮動功能，機器人首先抓取工件運行到定位銷錐度部位，由機床夾具夾緊，機器人通過軟浮動移動至上料位置，從而實現(xiàn)上料過程。

　　展望：機器人自動柔性搬運系統(tǒng)在重型汽車生產(chǎn)中應(yīng)用前景可期

　　隨著中國經(jīng)濟的快速增長，重型載重運輸汽車的需求在不斷地擴大，為滿足巿場的需求，各重型汽車廠正在不斷地積極開發(fā)新產(chǎn)品，并擴大原有產(chǎn)能。使用機器人服務(wù)加工中心組成柔性加工生產(chǎn)線的自動化方式逐步得到廣泛采用，從而在提高生產(chǎn)效率、減少人工成本、保障作業(yè)安全、提高生產(chǎn)品質(zhì)等方面起到了顯著作用。

　　由上文可知，機器人自動柔性搬運系統(tǒng)具有很高的效率和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，同時兼具柔性和可靠性較高、結(jié)構(gòu)簡單和便於維護的優(yōu)點，可以滿足不同種類產(chǎn)品的生產(chǎn)。對於重型汽車生產(chǎn)廠家來說，可以很快進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整和擴大產(chǎn)能，同時大大降低了產(chǎn)業(yè)工人的勞動強度，具有廣泛的應(yīng)用前景。